基于ANSYS 仿真分析的管材渦流檢測(cè)頻率優(yōu)化研究

陳 軍，蔡桂喜，林 莉，崔長(zhǎng)春，羅忠兵

(1.大連理工大學(xué)無(wú)損檢測(cè)研究所，遼寧 大連 116085；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016；3.遼河石油勘探局油氣工程技術(shù)處，遼寧 盤錦 124000)

0 引言

渦流檢測(cè)參數(shù)特別是激勵(lì)頻率決定了能否對(duì)管材內(nèi)外表面缺陷進(jìn)行有效和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)渦流激勵(lì)頻率的確定方法主要有試驗(yàn)法和特征頻率法，試驗(yàn)法確定的激勵(lì)頻率只對(duì)與人工缺陷形狀類似的自然缺陷有較高的靈敏度，而特征頻率法在計(jì)算過(guò)程中由于沒(méi)有考慮材料中的缺陷，所得的結(jié)果也與實(shí)際檢測(cè)中的最佳檢測(cè)頻率不符。渦流檢測(cè)其實(shí)質(zhì)是檢測(cè)線圈產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)與被檢對(duì)象的相互作用，但管材服役工況復(fù)雜，缺陷種類、大小及分布不一，使實(shí)際渦流檢測(cè)時(shí)電磁場(chǎng)問(wèn)題非常復(fù)雜，若檢測(cè)頻率選擇不當(dāng)，極易造成缺陷信號(hào)的混淆和漏檢［1-2］。隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬及仿真技術(shù)在渦流檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，利用有限元方法進(jìn)行缺陷信號(hào)的仿真，能對(duì)檢測(cè)探頭的設(shè)計(jì)及參數(shù)的選擇提供有效的理論指導(dǎo)，提高檢測(cè)精度，同時(shí)，仿真數(shù)據(jù)也能很好地用來(lái)分析缺陷參數(shù)與電磁場(chǎng)相位、幅度之間的關(guān)系，為后期的缺陷反演和定量識(shí)別提供有力依據(jù)［3-4］。本研究采用的是渦流檢測(cè)應(yīng)用最廣泛的管材渦流檢測(cè)系統(tǒng)的缺陷仿真及頻率優(yōu)化方法。

可對(duì)渦流電磁場(chǎng)進(jìn)行分析的有限元軟件很多，其中以ANSYS 軟件最具代表性。ANSYS 以友好的人機(jī)交互界面、良好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境、卓越的建模能力、強(qiáng)大的求解功能和非線性分析能力使其在機(jī)械、航空、航天、船舶、核工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［5-7］。

1 管材渦流檢測(cè)系統(tǒng)仿真模型的建立

管材渦流檢測(cè)系統(tǒng)是由被檢工件和差動(dòng)檢測(cè)探頭組成的，被檢工件是圓柱形非鐵磁性不銹鋼管，差動(dòng)探頭是由2 個(gè)相隔一定距離的環(huán)形銅線圈組成，每個(gè)線圈既是激勵(lì)線圈，又是檢測(cè)線圈，穿過(guò)式探頭檢測(cè)如圖1 所示。

為便于分析，作如下假設(shè):

1)電流密度及場(chǎng)量均隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化;

2)探頭線圈激勵(lì)電壓在其區(qū)域內(nèi)均勻分布;

3)線圈導(dǎo)體中的渦流忽略不計(jì);

4)忽略探頭運(yùn)動(dòng)速度的影響;

5)忽略位移電流，按似穩(wěn)場(chǎng)處理;

6)材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率均為常數(shù);

由圖1 可以看出，整個(gè)模型是軸對(duì)稱的，因此在進(jìn)行差動(dòng)探頭檢測(cè)帶有環(huán)槽軸對(duì)稱缺陷的管材仿真時(shí)，可以將三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維問(wèn)題來(lái)分析，即只需要分析圓柱狀模型的一個(gè)半截面即可。

按照?qǐng)D2 所示進(jìn)行仿真建模，不銹鋼管外徑19 mm，壁厚2 mm，人工缺陷為周向環(huán)狀，檢測(cè)線圈采用銅漆包線纏繞150 匝，缺陷及線圈尺寸見(jiàn)表1。

圖1 穿過(guò)式差動(dòng)探頭檢測(cè)Fig.1 Through-type eddy current testing with differential probe

圖2 缺陷尺寸及線圈形式Fig.2 Dementions of defects and type of coils

表1 缺陷及線圈尺寸Table 1 Dementions of defects and coils mm

2 缺陷信號(hào)的仿真

2.1 材料特性

在上述仿真模型中賦予3 種不同介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率μr和常溫下的電阻率ρ，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料特性參數(shù)Table 2 Material constants used in simulation

2.2 邊界條件

在ANSYS 模型中提供磁力線平行邊界條件和磁力線垂直邊界條件。磁力線平行邊界條件對(duì)應(yīng)邊值問(wèn)題的第一類邊界條件，其邊界上的矢量磁勢(shì)A 是可知的，通常稱為強(qiáng)邊界條件，須作為約束條件提出。磁力線垂直邊界條件對(duì)應(yīng)邊值問(wèn)題的第二類邊界條件和媒質(zhì)間的交界條件，稱為自然邊界條件，由泛函求極值自動(dòng)滿足。在上述模型中，對(duì)稱軸左右兩邊的幾何形狀和材料屬性都相同，且左右兩邊勵(lì)磁相位差180°，因此在ANSYS 中設(shè)定邊界條件時(shí)，只對(duì)模型設(shè)定第一類邊界條件A=0，此時(shí)第二類邊界條件自動(dòng)滿足［8］。

在ANSYS 模型中線圈采用交變電壓U=U0cosωt 進(jìn)行激勵(lì)，峰值電壓為12 V，設(shè)置檢測(cè)頻率并經(jīng)ANSYS 軟件計(jì)算線圈電流實(shí)部IREAL和虛部IIMAG，進(jìn)而得到缺陷仿真信號(hào)。

2.3 缺陷信號(hào)仿真

由ANSYS 計(jì)算可以得到檢測(cè)線圈的電流實(shí)部IREAL和虛部IIMAG，則線圈的阻抗Z 為

以兩線圈中心連線為x 軸，連線中點(diǎn)為原點(diǎn)O 建立坐標(biāo)系(圖3)。假定缺陷位置是X，兩線圈中心的坐標(biāo)分別為S 和-S，則兩線圈的阻抗可寫為Z1=f(X-S)和Z2=f(X +S)，兩線圈的阻抗差ΔZ=f(X-s)-f(X +S)。實(shí)際檢測(cè)中的缺陷信號(hào)是探頭與缺陷的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的，因此在缺陷信號(hào)仿真時(shí)只考慮運(yùn)動(dòng)位移上有限個(gè)位置的阻抗差ΔZ 就能近似得到缺陷信號(hào)。

圖3 阻抗計(jì)算示意圖Fig.3 Schematic diagram of impedance calculation

為了保證缺陷信號(hào)曲線的平滑連續(xù)，取80 個(gè)不同的X 值，分別計(jì)算Z1和Z2，以ΔZ 的實(shí)部為橫坐標(biāo)，虛部為縱坐標(biāo)，由Origin 軟件輸出ΔZ 的變化曲線即缺陷信號(hào)如圖4 所示，在此基礎(chǔ)上可通過(guò)比較不同頻率下缺陷信號(hào)幅值和相位，從而確定最佳檢測(cè)頻率。

圖4 缺陷信號(hào)的仿真Fig.4 Simulation signal of artificial defect

3 檢測(cè)頻率優(yōu)化

以實(shí)際檢測(cè)中最常用的穿過(guò)式探頭為例，取不同的激勵(lì)頻率f，可以得到缺陷信號(hào)隨頻率的變化曲線(圖5)。采用歸一化處理，得到內(nèi)外壁缺陷歸一化信號(hào)幅值-頻率(A-f)和相位-頻率(φf(shuō))曲線(圖6、圖7)。

圖5 缺陷信號(hào)隨頻率的變化Fig.5 Simulation signal of artificial defect under different testing frequencies

由圖6 可以看出，對(duì)于穿過(guò)式探頭，不論是內(nèi)、外壁缺陷，靈敏度較高的檢測(cè)頻率均為20、30、50 kHz，最佳頻率均為30 kHz。但從圖7 可以看出，相同頻率下內(nèi)、外壁缺陷的相位是不同的。為了有效區(qū)分內(nèi)、外壁缺陷，可以采用相位比較法確定最佳檢測(cè)頻率。圖8 是不同頻率下內(nèi)、外壁缺陷的相位差曲線，可以看出，當(dāng)檢測(cè)頻率分別為50、100 kHz 時(shí)，內(nèi)、外壁缺陷的相位差較大，但是100 kHz 時(shí)的缺陷信號(hào)幅值比50 kHz 時(shí)小很多，因此，選用50 kHz 的檢測(cè)頻率既能保證有較高的檢測(cè)靈敏度，又能對(duì)內(nèi)、外壁缺陷進(jìn)行有效區(qū)分，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與實(shí)際情況符合較好。對(duì)內(nèi)插式探頭可以采用同樣方法進(jìn)行頻率的優(yōu)化。

圖6 缺陷信號(hào)歸一化幅值-頻率(A-f) 變化曲線Fig.6 Normallized amplitude of defect signal under different testing frequencies

4 結(jié)論

1)利用有限元方法進(jìn)行缺陷信號(hào)的仿真，能對(duì)檢測(cè)探頭的設(shè)計(jì)及參數(shù)的選擇提供有效的理論指導(dǎo)，提高檢測(cè)精度，縮短調(diào)試時(shí)間;而且管材缺陷的仿真數(shù)據(jù)也能很好地用來(lái)分析缺陷參數(shù)與電磁場(chǎng)相位、幅度之間的關(guān)系，為后期的缺陷反演和定量識(shí)別提供有力依據(jù)。

圖7 缺陷信號(hào)相位-頻率(φ-f) 變化曲線Fig.7 Phase of defect signal under different testing frequencies

圖8 不同頻率內(nèi)、外壁缺陷信號(hào)相位差變化Fig.8 Phase difference between inner and outer defect signals under different testing frequencies

2)利用穿過(guò)式探頭和內(nèi)插式探頭對(duì)1Cr18Ni9Ti 不銹鋼管的人工缺陷信號(hào)進(jìn)行仿真，通過(guò)比較仿真信號(hào)的幅度和相位，不僅得到了對(duì)內(nèi)外壁缺陷靈敏度都很高的檢測(cè)頻率，而且還可確定能有效區(qū)分內(nèi)外壁缺陷的檢測(cè)頻率，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)實(shí)際工況對(duì)渦流檢測(cè)頻率的優(yōu)化。

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